【信道估计】MIMO-GFDM 信道估计新方案：无干扰导频插入（IFPI）技术深度解析【附MA...|mimo|信号|信道估计|导频|接收机|载波

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✿用于MIMO-GFDM信道估计的无干扰导频插入技术✿

摘要

广义频分复用（GFDM）是一种灵活的非正交波形，其灵活性使其可作为仿真多种多载波波形的框架，包括正交频分复用（OFDM）和单载波频域均衡（SC-FDE）。然而，根据滤波器的选择不同，GFDM中可能会出现符号间干扰和载波间干扰；在多输入多输出（MIMO）场景下，天线间干扰进一步给接收机设计带来挑战。本文聚焦于GFDM的导频辅助信道估计，与以往研究不同，提出了一种在频域中使导频符号与数据符号正交的导频插入技术。基于该设计，原本为OFDM开发的频域信道估计算法可直接应用。本文还分析了该导频设计对信号特性（包括功率谱密度（PSD）和峰均功率比（PAPR））的影响。最后，通过仿真评估了MIMO-GFDM系统的性能，并与传统MIMO-OFDM系统进行了对比。

引言

现代通信系统对性能的要求已超出吞吐量和数据容量的范畴。触觉互联网中的低时延应用、认知无线电的动态频谱接入以及智能城市中的粗同步和突发流量等需求，促使学术界和工业界加大对非正交波形的研究力度。在宽带通信中，由于信道的频率选择性，接收机需要采用复杂的导频插入和信道估计算法，以准确估计并均衡信道带来的影响。

非正交多载波波形会产生自干扰，导致接收的参考信号（即导频）受到数据符号的影响。与能够实现导频无干扰观测的正交频分复用（OFDM）相比，这种数据符号对导频符号的干扰会降低信道估计性能，因此基于OFDM的信道估计算法（如相关文献[3][4][5]等）无法直接应用于非正交波形。

广义频分复用（GFDM）是一种广泛研究的非正交波形。相关研究（如文献[6][7][8]等）表明，MIMO-GFDM系统通过利用频率分集，有望在性能上超越MIMO-OFDM系统。本文将所提出的导频设计应用于MIMO-GFDM系统。在以往关于GFDM系统信道估计的研究（文献[9][10][11]）中，需要处理数据符号对导频符号的干扰。文献[12]采用了分离导频符号与数据符号的思路，但其方法需要基于发射端已知的数据和导频信息计算预编码器，且仅适用于近似平坦衰落信道。

本文的贡献在于修改GFDM信号以实现正交导频插入，进而实现GFDM的无干扰信道估计，该方法同样适用于其他采用频域信道估计的非正交多载波系统。基于低复杂度的GFDM发射机，本文旨在插入导频子符号，使得接收信号在导频频点处的频域不受数据子符号的影响。在接收机端提取正交导频可实现无干扰的信道估计性能。然而，由于GFDM结构的修改，发射信号的特性可能与原始GFDM信号有所不同。因此，本文展示了修改后GFDM的相应特性，并在频率选择性MIMO块衰落信道下，将其接收机性能与原始GFDM及OFDM进行了对比分析。

方法简介

本文提出的核心方法为无干扰导频插入（IFPI）技术，其核心思路是在频域中使导频符号与数据符号正交，从而消除数据对导频的干扰，具体实现过程如下：

1. 导频传输

在GFDM调制中，预留特定频点专门用于导频传输，确保不受数据符号影响。通过修改GFDM信号表达式，引入置换矩阵和缩放因子，其中用于将导频分配到导频子载波内的任意频点，用于将导频能量归一化为1。该设计中，导频子载波对应的信号仅由导频项贡献（数据项为零），数据子载波对应的信号仅由数据项贡献（导频项为零），避免了信息叠加。例如，当（单位矩阵）时，导频子载波的前个（发射天线数）子符号直接在频域处理，与其他子符号隔离（前提是导频位于无载波间干扰的频点），每个正交子符号可分配给特定发射天线，使得（接收天线数）的MIMO信道可分解为个单输入单输出（SISO）信道进行处理。

2. 接收导频提取

由于各发射天线的导频与其他子符号正交，可利用现有估计算法分别估计每个发射-接收天线对之间的信道。定义矩阵（仅包含DFT矩阵中与发射天线的导频频点对应的行），通过该矩阵从接收天线的接收信号中提取对应发射天线的导频信号，提取后的导频信号在频域中仅包含该发射天线的导频信息，不受数据子符号干扰。随后可采用最小二乘（LS）或线性最小均方误差（LMMSE）算法进行信道估计。

3. 复杂度分析

得益于导频与数据在频域的正交性，IFPI-GFDM的信道估计复杂度与OFDM相同，低于传统GFDM。传统GFDM需将数据干扰视为额外相关噪声，需额外信号处理，且需处理更多频域导频样本，其LMMSE信道估计复杂度为（为导频样本数）；而IFPI-GFDM和OFDM的LMMSE信道估计复杂度为（为导频子载波数）。尽管IFPI-GFDM采用频域GFDM调制导致发射端复杂度略高于时域调制的传统GFDM，但结合信道估计整体复杂度，其数据传输的综合复杂度仍低于传统GFDM。

结论

本文提出了一种适用于非正交多载波系统信道估计的无干扰导频插入技术，虽以MIMO-GFDM为应用场景，但同样适用于其他采用频域信道估计的非正交波形。通过仿真评估了不同GFDM接收机的编码性能，并与信道知识不完善的OFDM系统进行对比。